对流方程的隐式有限差分格式

计算科学 有限差分 隐式方法 平流
2021-11-25 23:34:48

平流方程有许多 FD 格式Tt+uTx=0在网上讨论。例如这里: http: //farside.ph.utexas.edu/teaching/329/lectures/node89.html

但我还没有看到有人提出这样的“隐式”逆风方案: Tin+1Tinτ+uTin+1Ti1n+1hx=0.

我见过的所有迎风方案都是处理空间导数中前一个时间步长的数据。这是什么原因?经典的迎风方案与我上面写的方案相比如何?

2个回答

在计算流体动力学中使用类似于您提出的隐式方案是很常见的。我所知道的基于紧凑的有限差分公式(不仅仅是替换nn+1在现有计划中)。例如,Lele 于 1992 年在本文中开发了一种使用最广泛的方案,引用次数超过 2500 次。可以使此类方案具有比典型的显式方案更好的色散特性。

当使用隐式方法和大时间步长时,逆风通常不太重要,因为大量的扩散(杰里米提到)意味着你无论如何都无法解决冲击。

关于您提出的特定方案:

  • 它可以通过使用空间上的后向差异和时间上的后向(隐式)欧拉方法从线法离散化中获得。
  • 只要它是无条件稳定的u0(有趣的是,它对于u<0如果时间步不是太小
  • 它比传统的显式迎风方案更耗散。
  • 与显式迎风方案不同,它不满足单位 CFL 条件(即,在τu/h=1)。相反,它满足反单元 CFL 条件(如果τu/h=1)。

你没有理由不能做你所写的。这种情况不常见的原因之一是对于双曲(平流)类型的问题,依赖域是有限的。因此,从计算效率的角度来看,显式方法是有意义的。

您编写的隐式方案将需要求解一个线性系统,尽管在您编写三角形的情况下,因此求解相当简单。当然,当您研究系统和多个维度时,系统可能不会是三角形的,尽管有时这可能会导致未知数的正确排序(例如,参见Kwok 和 Tchelepi,JCP 2007Gustafsson 和 Khalighi,JSC,2006)。

有时,人们希望采用较大的时间步长,正如您所写的那样,使用隐式时间步长,但在这里您必须小心。使用隐式方法时,您将引入大量扩散,因此您将显着涂抹您的解决方案。